terça-feira, 19 de julho de 2011
domingo, 3 de julho de 2011
Normalização e Estrutura de Widmanstaetten (Tratamentos Térmicos) por Andrigo Dias Barbosa
O objetivo do presente trabalho é apresentar, de forma concisa, quais são as características da microestrutura formada sob determinadas tratamentos nos aços.
Tratamento térmico é o conjunto de operações de aquecimento e resfriamento a que são submetidos os aços, sob condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento, com o objetivo de alterar as suas propriedades ou conferir-lhes características determinados. As propriedades dos aços dependem, em princípio, da sua estrutura. Os tratamentos térmicos modificam, em maior ou menor escala, a estrutura dos aços, resultando, em conseqüência na alteração mais ou menos pronunciada, de suas propriedades. Cada uma das estruturas obtidas apresentam suas características próprios, que se transferem ao aço, conforme a estrutura ou combinação de estrutura ou combinação de estruturas presentes.
INTRODUÇÃO
As aplicações tecnológicas dos materiais de engenharia atuais exigem, cada vez mais, um rigoroso controle dos processos a fim de garantir que as propriedades mecânicas em serviço sejam aquelas desejadas. Isso requer que diversos parâmetros sejam estritamente controlados:
· Composição química da liga;
· Controle de inclusões e elementos indesejados;
· Técnicas de fabricação primária;
· Técnicas de montagem;
· Etc
Apesar da grande variedade de materiais alternativos cada vez mais comuns, o aço continua com utilização majoritária devido às características combinadas que são desejáveis na maioria das vezes. É evidente, dessa forma, a necessidade de obtenção de informações acercada metalurgia das ligas ferrosas, a fim de controlar devidamente todos os parâmetros controladores das suas características
Pelo exposto, pode-se perfeitamente avaliar a importância dos tratamentos térmicos, sobretudo nos aços de alto carbono e nos que apresentam também elementos de liga.
REVISÃO BIBLIOGRAFICA
De fato, se geralmente muitos aços de baixo e médio carbono são usados nas condições típicas do trabalho a quente, isto é, nos estado forjado e laminado, quase todos os aços de alto carbono ou com elementos de liga, são obrigatoriamente submetidos a tratamentos térmicos antes de serem colocados em serviço. Os principais objetivos dos tratamentos térmicos são os seguintes:
· - Remoção de tensões internas (oriundas de esfriamento desigual, trabalho mecânico ou outra causa);
· - Aumento ou diminuição da dureza;
· - Aumento da resistência mecânica;
· - Melhora da ductilidade;
· - Melhora da usinabilidade;
· - Melhora da resistência ao desgaste;
· - Melhora das propriedades de corte;
· - melhora da resistência à corrosão;
· - Melhora da resistência ao calor;
· - Modificação das propriedades elétricas e magnéticas.
No decorrer do trabalho abordaremos alguns tratamentos térmicos, sempre mantendo o foco no processo de normalização a qual se destina o mesmo com maior importância, porém não se deve dispensar o conhecimento de algumas informações a qual o mesmo se relaciona. A simples enumeração da objetiva acima evidência claramente a importância e a necessidade do tratamento térmico no aço. Em geral, a melhora de uma ou mais propriedades, mediante um determinado tratamento térmico, é conseguida com prejuízo de outras.
Esperamos que esta busca contribua com a formação e adição de conhecimento, nossa, de nossos colega e de quem mais vir a ter contato com este trabalho acadêmico.
TRATAMENTOS TÉRMICOS –
NORMALIZAÇÃO
O aumento da ductilidade provoca simultaneamente queda nos valores de dureza e resistência à tração. É necessário, que o tratamento térmico seja escolhido e aplicado criteriosamente, para que os inconvenientes apontados sejam reduzidos ao mínimo. Não se verifica, pela simples aplicação de um tratamento térmico, qualquer alteração da composição química do aço. Há casos, entretanto, em que interessa somente uma modificação parcial de certas propriedades mecânicas; por exemplo, melhorar superficialmente a dureza do aço. Esse efeito é conseguido pela alteração parcial da sua composição química. Os tratamentos em que a combinação de operações de aquecimento e resfriamento é realizada em condições tais que conduzem a uma mudança parcial da composição química. Os tratamentos em que a combinação de operações de aquecimento e resfriamento é realizada em condições tais que conduzem a uma mudança parcial da sua composição química da liga e, consequentemente, uma modificação parcial de suas propriedades mecânicas, serão chamados de “tratamentos termo - químicos”.
Antes de serem definidos e descritos os vários tratamentos térmicos, será feita uma rápida recapitulação dos diversos fatores que devem ser levados em conta na sua realização. Representando o tratamento térmico um ciclo tempo - temperatura, os fatores a serem inicialmente considerados são: aquecimento, tempo de permanência à temperatura e resfriamento. Além desses, outro de grande importância é a atmosfera do recinto de aquecimento, visto que a sua qualidade tem grande influência sobre os resultados finais dos tratamentos térmicos.
Aquecimento:
O caso mais freqüente de tratamento térmico do aço é alterar uma ou diversas de suas propriedades mecânicas, mediante uma determinada modificação que se processa na sua estrutura. Assim sendo, o aquecimento é geralmente realizado a uma temperatura acima da crítica, porque então tem-se a completa austenização do aço, ou seja total dissolução do carboneto de ferro gama: essa austenização é o ponto de partida para as transformações posteriores desejadas, as quais se processarão em função da velocidade de esfriamento adotada. Na fase de aquecimento, dentro do processo de tratamento térmico, devem ser apropriadamente consideradas a velocidade de aquecimento e a temperatura máxima de aquecimento.
A velocidade de aquecimento, embora na maioria dos casos seja fator secundário, apresenta certa importância, principalmente quando os aços estão em estado de tensão interna ou possuem tensões residuais devidas a encruamento prévio ou ao estado inteiramente martensítico porque, nessas condições, um aquecimento muito rápido pode provocar empenamento ou mesmo aparecimento de fissuras. Há casos, contudo, de aços fortemente encruados que apresentam uma tendência para excessivo crescimento de grão quando aquecidos lentamente dentro da zona crítica, sendo então conveniente realizar um aquecimento mais rápido através dessa zona de transformação. Nas mesmas condições estão, certos aços especiais que exigem temperatura final de austenização muito elevada; também nesses casos quando no aquecimento é atingida a zona crítica é necessário quer a mesma seja ultrapassada mais ou menos rapidamente para evitar excessivo crescimento de grão de austenita.
A temperatura de aquecimento é mais ou menos um fator fixo, determinado pela natureza do processo e dependendo, é evidente, das propriedades e das estruturas finais desejadas, assim como da composição química do aço, principalmente do seu teor de carbono. Quanto mais alta essa temperatura, acima da zona crítica, maior segurança se tem da completa dissolução das fases no ferro gama; por outro lado, maior será o tamanho de grão da austenita. As desvantagens de um tamanho de grão excessivo são maiores que as desvantagens de não ser ter total dissolução das fases no ferro gama, de modo que se deve procurar evitar temperaturas muito acima de linha superior (A3)
da zona crítica. Na prática, o máximo que se admite e 500º C acima de A3 e assim mesmo para os aços hipoeutetóides. Para os hipereutetóides, a temperatura recomendada é inferior à da linha Acm. A razão é obvia; a linha Acm sobre muito rapidamente em temperatura com o aumento do teor de carbono; para que haja, portanto, completa dissolução do carboneto de ferro no ferro gama, são necessárias temperaturas muito altas com conseqüente e excessivo crescimento de grão de austenita, condição essa mais prejudicial que a presença de certa quantidade de carboneto não dissolvido.
Tempo de permanência à temperatura de aquecimento:
A influência do tempo de permanência do aço à temperatura escolhida de aquecimento é mais ou menos idêntica à da máxima temperatura de aquecimento, isto é, quanto mais longo o tempo à temperatura considerada de austenização, tanto mais completa a dissolução do carboneto de ferro ou outras fases presentes (elemento de liga) no ferro gama, entretanto maior o tamanho de grão resultante. Procura-se evitar, pois, permanência à temperatura do estritamente necessário para que se obtenha uma temperatura uniforme através de toda a seção do aço e para que se consigam as modificações estruturais mais convenientes. Tempo muito longo pode também aumentar a oxidação ou descarbonetação do material. Sob o ponto de vista de modificação estrutural, admite-se que uma temperatura ligeiramente mais elevada seja mais vantajosa que um tempo mais longo a uma temperatura inferior, devido à maior mobilidade atômica. De qualquer modo, o tempo à temperatura deve ser pelo menos o suficiente a se ter sua uniformização através de toda a seção.
Resfriamento
Este é o fator mais importante, pois é ele que determinará efetivamente a estrutura e, em conseqüência, as propriedades finais dos aços. Como pela variação da velocidade de resfriamento pode-se obter desde a perlita grosseira de baixa resistência mecânica e baixa dureza até a martensita que é o constituinte mais duro resultante dos tratamentos térmicos. Por outro lado, a obtenção desses constituintes não é só função da velocidade de resfriamento, dependendo também como se sabe da composição do aço (teor em elemento de liga, deslocando a posição das curvas em C), das dimensões (seção) das peças, etc. Os meios de esfriamento usuais são: ambiente do forno, ar e meios líquidos. O resfriamento mais brando é, evidentemente, o realizado no próprio interior do forno e ele se torna mais severo as medida que se passa para o ar ou para um meio líquido, onde a extrema agitação dá origem aos meios de esfriamento mais drásticos ou violentos. Na escolha do meio de esfriamento, o fator inicial a ser considerado é o tipo de estrutura final desejada a uma determinada profundidade. Não só, entretanto. De fato, a seção e a forma da peça influem consideravelmente na escolha daquele meio. Muitas vezes, por exemplo, a seção da peça é tal que a alteração estrutural projetada não ocorre à profundidade esperada. Algumas vezes a forma da peça é tal que um resfriamento mais drástico, como em água, pode provocar conseqüências inesperadas e resultados indesejáveis tais como empenamento e mesmo ruptura da peça. Um meio de resfriamento menos drástico, como óleo, seria o indicado sob o ponto de vista de empenamento ou ruptura, porque reduz o gradiente de temperatura apreciavelmente durante o resfriamento, mas não podem satisfazer sob o ponto de vista de profundidade de endurecimento. É preciso, então conciliar as duas coisas: resfriar adequadamente para obtenção da estrutura e das propriedades desejadas à profundidade prevista e, ao mesmo tempo, evitar empenamento distorção ou mesmo ruptura da peça quando submetida ao resfriamento. Tal condição se consegue com a escolha apropriada do aço. De qualquer modo, o meio de resfriamento é fator básico no que se refere à reação da austenita e em conseqüência, aos produtos finais de transformação. Os meios de resfriamento mais utilizados são: soluções aquosas, águas, óleo e ar.
Outro fator que deve ser levado em conta é o da circulação do meio de resfriamento ou agitação da peça no interior, pois ocorrer o empenamento das peças e até mesmo fissuras para isso temos que usar meios menos drásticos como óleo, água aquecida ou ar, são banhos de sal ou banho de metal fundido.
Normalização
A tenacidade e a resistência à abrasão são melhoradas coma realização de tratamentos térmicos para obter microestrutura martensítica.
Os principais tratamentos térmicos abordados neste capítulo são:
· Recozimento
· Mormalização
· Têmpera
· Revenimento
O recozimento, a normalização e a têmpera envolvem transformações de fase apartir da austenita. Só se aplicam, portanto, a aços transformáveis. Obviamente, às diversas estruturas possíveis de se obter na transformação de austenita estão associadas diferentes propriedades, desde o máximo de ductibilidade e mínimo de dureza, característico das estruturas ferríticas, até os elevados valores de dureza e menor ductibilidade associados à martensita.
Consiste no aquecimento do aço a uma temperatura acima da zona crítica, seguindo de resfriamento no ar. Para os aços hipoeutetóides, pode-se admitir que a temperatura de aquecimento ultrapasse a linha A3 e para os hipereutetóides a linha Acm sem os inconvenientes, neste último caso, no resfriamento ao ar que se seguem da formação do invólucro frágil de carbonetos. A normalização visa refinar a granulação grosseira de peças de aço fundido principalmente; freqüentemente, e com o mesmo objetivo, a normalização é aplicada em peças depois de laminadas ou forjadas. A normalização é ainda usada como tratamento preliminar à têmpera e ao revenido, justamente para produzir estrutura mais uniforme do que a obtida por laminação. Os constituintes que se obtém na normalização são ferrita e perlita fina ou cementita e perlita fina. Eventualmente, dependendo do tipo de aço, pode-se obter a bainita.
A normalização consiste na austenização completa do aço, seguida de resfriamento ao ar parado ou agitado.
NORMALIZAÇÃO: É USADA ANTES DA TÊMPERA E REVENIDO.
É indicada normalmente para homogeneização da estrutura após o forjamento e antes da têmpera ou revenimento. Obviamente, aços ligados que temperam (endurecem) ao ar não são normalizados.
Comparando-se a estrutura normalizada com a recozida, tem-se na normalizada:
a) Em um aço hipoeutetóides, possivelmente menor quantidade de ferrita proeutetóide, e perlita mais fina (menor espaçamento entre as lamelas). Em termos de propriedades mecânicas para baixos teores de carbono (C < 0,20%), não se observam diferenças significativas, mas, com o aumento deste elemento, a dureza e a resistência mecânica ficam mais elevadas, a ductibilidade (medida por alongamento ou redução de área em ensaio de tração), mais baixa, embora a resistência ao impacto não seja muito alterada.
b) Em aços hipereutetóides, menos carbonetos em rede ou massivos, e distribuição mais uniforme dos carbonetos existentes, devido à dissolução mais completa dos carbonetos na austenização para a normalização do que no recozimento, visto que na normalização a austenização ocorre acima de ACM. Como o resfriamento a normalização é mais rápido que no recozimento, a precipitação de cementita proeutetóide no contorno de grão austenítico é minimizada.
Os aços normalmente usados são: (S.A.E. 1020 a 1080, 8620,8630,4140,4320,4340, 5130,5135 ) .
O tratamento térmico de normalização de ferros fundidos tem por objetivo aumentar as propriedades mecânicas de resistência, também visa a granulação grosseira principalmente das peças de aço fundido, é aplicada em peças que já foram laminadas ou forjadas.
A normalização pode ser usada, portanto, para qualquer das seguintes aplicações:
- Refino do grão (por meio da recristalização) e homogeneização da estrutura visando a obter uma melhor resposta na têmpera ou no revenimento posterior.
- Aquecimento da região da austenita entre 800 e 950ºC.
- Melhoria na usinabilidade.
- Refino de estruturas brutas de fusão (peças fundidas, por exemplo).
- Obter propriedades mecânicas desejadas.
- Estrutura que se forma; ferrita perlita para aços com 0,8% de “C”, só perlita para aços com 0,8% e perlita e cementita (Fe3C) para aços com mais de 0,8% de “C”.
- A estrutura resultante é de baixa dureza.
- O grau de ductibilidade depende das condições do ambiente de resfriamento, (a diferença principal entre peças recozidas e normalizadas é que as peças recozidas têm propriedades de ductibilidade e usinabilidade uniformes através de todo o seu volume enquanto que as peças normalizadas poderão ter propriedades não uniformes).
- Este processo é substancialmente mais barato que o recozimento pleno, pois não existe o custo adicional de resfriamento no forno.
ESTRUTURA DE WIDMANSTAETTEN
Átomos intersticiais
História
Devem seu nome ao conde Alois von Beckh Widmanstätten, quem supostamente descobriu-as em 1808 . No entanto, a princípios do século XIX, o geólogo britânico G. Thomson (seu nome é desconhecido) descobriu-as tratando a pallasita Krasnojarsk com uma solução de ácido nítrico. É por isso que às estruturas de Widmanstatten também lhas conhece como estruturas Thomson.
Ângulo das estruturas
Os ângulos que apresentam as bandas quando se observa uma secção polida de um meteorito dependem de como se tenha realizado o corte de dita secção. A Fé-Nem apresenta uma estrutura cristalina octaédrica; assim, se os ângulos são de 60º ou 120º, quer dizer que o corte é paralelo a uma das caras do octaedro. Se o corte é perpendicular ao eixo principal, os ângulos serão de 90º.
Figura 1 - Corte perpendicular ao eixo do octaedro, paralelo a
uma das caras, e corte com um ângulo diferente.
O constituinte proeutectóide pode nuclear nas fronteiras de grão austeníticas mas crescer em condições de não equilíbrio, devido á diminuição da difusividade do carbono provocada pelo abaixamento da temperatura; estas condições originam cristais de constituinte proeutectóide de forma acicular, que crescem no interior dos grãos austeníticos; um exemplo desta microestrutura, designada de Widmanstätten.
Os elementos H, C, N e O podem ocupar regiões intersticiais na microestrutura do ferro. A Figura 2 mostra a disposição tanto de um átomo de soluto intersticial quanto de um substitucional. Todos esses elementos atendem à exigência de ter o raio atômico bastante inferior ao do ferro. As lacunas intersticiais na estrutura CFC do ferro são maiores do que na estrutura CCC. No primeiro caso, os maiores vazios possuem 0,052nm e 0,028m no raio, e têm formato geométrico octaédrico. O carbono, por sua vez, possui um raio atômico de 0,08 nm, e o nitrogênio 0,07 nm. Esses elementos ocupam posições intersticiais, e provocam distorção da rede cristalina do ferro. No caso da microestrutura CCC, os vazios intersticiais são menores: o sítio octaédrico tem 0,019nm no raio, e o tetraédrico 0,036nm. Apesar dessa diferença, os átomos de carbono e nitrogênio ocupam os sítios octaédricos, presumivelmente porque nesse caso há apenas dois átomos de ferro como vizinhança mais próxima, ao contrário de quatro no sítio octaédrico. Essa diferença entre as redes cristalinas CFC e CCC é que permite a maior solubilidade de carbono na estrutura austenítica –CFC – e que possibilita a formação de um a grande variedade de microestruturas à medida que o carbono se precipita a partir de uma solução sólida supersaturada.
As solubilidades do C e do N dependem da fase com a qual a solução sólida intersticial de ferro alfa está em equilíbrio. O equilíbrio estável seria, por exemplo, aquele com o nitrogênio em estado gasoso ou com o carbono em forma de grafite. Há uma alta energia de ativação da nucleação desses dois elementos, no ferro, devido à grande energia de superfície existente. Ao invés disso, fases metaestáveis são formadas, com menor energia de ativação e maiores solubilidades na solução sólida rica em ferro. A fase formada (isto é, diferentes fases meta estáveis podem ser originadas das soluções sólidas Fe-C e Fe-N) depende da temperatura, do tempo durante o qual ela é mantida, e das imperfeições presentes na estrutura da solução sólida. A probabilidade de formação de nitrogênio gasoso ou grafite é tão baixa que essas fases raramente se precipitam em aços. Uma importante exceção se ocorre quando aços ao carbono ou de baixa liga são mantidos na faixa de temperatura entre 450°C e 650°C por centenas ou mesmo milhares de horas.
Os átomos intersticiais do soluto tendem a migrar para os defeitos da rede cristalina, pois nesta região são mais energicamente favoráveis que aquelas das redes não perturbadas. Tais defeitos podem ser pontuais, vacâncias, átomos substitucional, auto intersticiais, lineares, discordâncias ou planares; contorno de grão, superfícies livres, etc.
Os elementos de liga possuem diferentes energias de solução nas matrizes de ferro alfa e gama, influindo diretamente no campo da temperatura em que a austenita e estável. Algumas regras de como os átomos se comportam com respeito a isso;
· O campo austenítico e expandido por elementos intersticiais, pois a rede cristalina CFC possui sítios de menor energia de deformação que a CCC;
· O campo austenítico é expandido por elementos com microestrutura CFC ou HC (C, Mn, Ni, etc);
· O campo austenítico é restringido por elementos com microestrutura CCC (Ti, Cr, etc).
Mecanismo para a formação da perlita
Se uma liga de composição eutetóide é resfriada abaixo da temperatura eutetóide, a reação da formação da perlita, pode então ocorrer. Em geral, a nucleação não pode ocorrer no interior do grão devido a altas energias de superfícies e de deformação exigidas. Ao invez disso, a nucleação se inicia nas regiões de contorno de grão da austenita.
A bainita é dividida em inferior e superior;
· A Bainita superior é caracterizada por lamelas muito finas e alternadas de ferrita e cementita (camadas empilhadas). Inicialmente se forma a ferrita, com rejeição de carbono para a austenita circunvizinha. Com um aumento da concentração de carbono, a cementita se precipita em um segundo estagio. O crescimento de tal microestrutura envolve deformações plásticas absorvidas pela austenita adjacente, com isso observa-se o aumento da densidade de discordâncias, com posterior interrupção do crescimento da ferrita. O formato de agulhas características visa minimizar essa energia de deformação associada;
· No caso da bainita inferior, também são formados as tais lamelas, porem no interior das camadas de ferrita também ocorre precipitação de cementita. Isso ocorre porque, em temperaturas menores (ou, alternativamente, com taxas de resfriamento mais acentuadas), a difusão do carbono é reduzida, de forma que não há segregação total para a austenita adjacente – ocorre precipitação no próprio grão ferrítico. Além do mais, os carbonetos precipitados são mais finos, o que confere maior tenacidade em relação a bainita superior, nas quais os precipitados são mais grosseiros, favorecem a nucleação das trincas.
A cinética de formação de bainita envolve o crescimento das placas até a supresão pela austenita adjacente, deformada plasticamente. Novas placas são, então, nucleadas na ponta da primeira placa, formando um feixe de bainita.
A ferrita de Widmanstatten
A ferrita de Widmanstatten pode agir em detrimento das propriedades mecânicas dos aços, porque as placas de ferrita frequentemente crescem em formações paralelas as quais permitem que trincas de clivagem se propaguem sem grande divergência. O problema é que particularmente preocupante em depósitos de solda nos aços, situação em que é impraticável modificar a estrutura por meio do controle sistemático e preciso da solidificação. O cuidado no processo de desenvolvimento da composição e na manufatura da liga se torna fundamental para minimizar a quantidade de ferrita de widmanstaetten formada. Isso requer, obviamente, um profundo conhecimento físico e metalúrgico dos fatores que controlam a nucleação e crescimento.
Crescimento de ferrita pró-eutetóide e cementita hiper-eutetóide: (a) aço 0,3%C a 790°C, nucleação de ferrita no contorno de grão;(500 X) (b) aço 0,3%C a 725°C, nucleação de ferrita de Widmanstätten no contorno de grão;(500 X) (c) aço 0,3%C, a 790°C, nucleação de ferrita no contorno e interior do grão de austenita; (500 X) (d) aço 0,3%C a 725°C, nucleação de ferrita de Widmanstätten no interior do grão; (500 X) (e) aço 1,2%C, a 730°C, cementita no contorno e interior do grão de austenita; (350 X) (f) aço 0,34%C, a 790°C, nucleação de cementita de Widmanstätten ; (350 X)
Transformação Austenita – Cementita
A classificação dos cristais nucleados de cementita a diferentes temperaturas é igual ada ferrita citada anteriormente. O desenvolvimento inicial é de grãos equiaxiais nos contornosde grão e com a diminuição da temperatura é favorecido o crescimento de cementita na formade lamelas ou ripas.
Transformação Austenita – Perlita
A perlita é provavelmente a microestrutura mais bem conhecida de toda a metalografia,sendo considerada uma mistura lamelar de ferrita e carboneto de ferro. A
perlita é umconstituinte muito comum numa grande variedade de aços e contribui significativamente para aresistência mecânica. A formação da estrutura perlita ocorre por nucleação e crescimento e são controladas por difusão *. Os núcleos de perlita aparecem nos limites de grão da austenita, mas podem também, como é evidente, estar associados à ferrita ou à cementita pró-eutetóides. Nosaços comerciais, os nódulos de
perlita podem nuclear em inclusões.
Figura 3.1 - Crescimento de ferrita pró-eutetóide e cementita hiper-eutetóide
Numa descrição idealizada pode-se dizer que a perlita é constituída por módulos esféricos, nucleados nos limites de grão da austenita e que crescem gradualmente para ointerior de um grão da austenita, observa-se na figura 1.5 . Considera-se que os módulos de perlita se formam por nucleação lateral e crescimento longitudinal. Com relação atemperatura de transformação e velocidade de resfriamento deve-se salientar que a distância interlamelar diminui com a diminuição da temperatura de transformação e com o aumento da velocidade de resfriamento, estes parâmetros, portanto, determinam uma forte influência nas propriedades mecânicas dos aços ferríticos e perlíticos. Na Figura 1.6 observa-se a estrutura perlítica com iluminação por campo escuro. A característica principal da difusão é a migração de átomos de soluto da região mais concentrada para menos concentrada, portanto, a força motriz da movimentação de átomos de carbono da ferrita para a cementita não é por difusão e sim por diminuição da energia livre das fases.
Figura 3.2- Representação esquemática da formação da perlita à partir da austenita, o sentido da difusão de carbono é indicada pelas setas.
Figura 3.3- Fotomicrografia de uma estrutura perlítica, onde observa-se a característica lamelar da estrutura (foto campo escuro).
Morfologia
É possível dividir a ferrita de widmanstaetten em primária e secundária, a estrutura primária cresce a partir da superfície do grão austenítico, penetrando-a de forma direta, enquanto a estrutura secundaria se desenvolve da ferrita alotriomórfica, quando essa se faz presente na microestrutura.
Figura 4.1: Microestrutura da GGZTA do aço USISAC350, 16,0 mm de espessura. Aporte de
1,2 kJ/mm. Aumento original 500X. Constituintes: Ferrita pró-eutetóide, ferrita com MAC,
ferrita de Widmanstätten intragranular e agregados ferrita-carbeto.
Figura 4.2: 1461A: Microestrutura da GGZTA do aço USISAC350, 16,0 mm de espessura.
Aporte de 2,3 kJ/mm. Aumento original 500X. Constituintes: Ferrita pró-eutetóide, ferrita com
MAC, ferrita de Widmanstätten intragranular e agregados ferrita-carbetoAporte de 2,3 kJ/mm. Aumento original 500X. Constituintes: Ferrita pró-eutetóide, ferrita com
MAC, ferrita de Widmanstätten intragranular e agregados ferrita-carbeto.
Figura 4.3: Microestrutura da GGZTA do aço USISAC350, 37,5 mm de espessura. Aporte de
1,2 kJ/mm. Aumento original 500X. Constituintes: Ferrita com MAC e agregados ferritacarbeto.
Figura 4.4: Microestrutura da GGZTA do aço USISAC350, 37,5 mm de espessura. Aporte de
2,3 kJ/mm. Aumento original 500X. Constituintes: Ferrita com MAC e agregados ferritacarbeto.
Figura 4.5: Microestrutura da GGZTA do aço ASTMA588B, 16,0 mm de espessura. Aporte
de 1,2 kJ/mm. Aumento original 500X. Constituintes: Ferrita com MAC, ferrita de
Widmanstätten intragranular e, também, a formação de pequena quantidade de martensita.
Figura 4.6: Microestrutura da GGZTA do aço ASTMA588B, 16,0 mm de espessura. Aporte
de 2,3 kJ/mm. Aumento original 500X. Constituintes: Ferrita com MAC, ferrita de
Widmanstätten intragranular e, também, a formação de pequena quantidade de martensita.
Nucleação e crescimento
Nucleação e crescimento
A reação de crescimento da ferrita de widmanstaetten é razoavelmente bem compreendida. A taxa de alongamento (crescimento) de uma placa individual pode ser prevista com certo grau de acurácia, como a função da composição química da liga e da temperatura de transformação, se for assumido que o crescimento ocorre sob condições de equilíbrio a taxa controlada pela difusão do carbono na austenita acima da placa. O raio da ponta ( da placa) deve ser tomado de forma que proporcione a taxa máxima de alongamento.
Em contraste, a nucleação não é conhecida em detalhes. A temperatura de ínicio pode ser identificada com a mais elevada temperatura de transformação isotérmica na qual a ferrita de widmanstaetten é encontrada em quantidades detectáveis. Essa temperatura é considerada afetada por elementos de liga.
CONCLUSÃO
Vê-se, por isso que como tratamento preliminar para têmpera e ao revenido justamente para produzir uma estrutura mais uniforme do que a produzida pela laminação. Esse tratamento consiste no aquecimento do aço a uma temperatura acima da zona critica, seguido de resfriamento ao ar tranqüilo. Os constituintes que se obtém na normalização são ferrita e perlita fina, ou cementita e perlita fina. Eventualmente conforme o tipo de aço pode se ainda obter a bainita. Durante o resfriamento é que a estrutura do material se transforma de austenita em ferrita e perlita. Se der tempo suficiente, a transformação se realizará numa única temperatura.
Cinco pontos que se esperam atingir com um procedimento feito corretamente deixando o material com a seguinte estrutura:
· Bem distribuída - homogeneamente repetidas;
· Com grãos de tamanho uniforme;
· Sem intermediários, ou estrutura de Widmastaten;
· Sem alinhamento (o aço S.A.E. 8620 é mais suscetível de apresentar este tipo de estrutura);
· Bem formadas com contornos de grão bem definidos.
Nos aços mencionados como de uso normal, a temperatura de transformação oscila entre 580ºC e 650ºC. O menor tempo de transformação ( tirado das curvas s) está entre 2 a 4 horas. Como a temperatura de austenitização situa-se em torno de 900ºC, convém esfriar rapidamente o material até 600ºC para que não haja tempo de transformação de alguma austenita.
Dessa maneira pode-se controlar a transformação no resfriamento, variando de mais ou menos 20ºC a temperatura de “passagem”.
Para atingir os cinco pontos apresentados acima, devem-se controlar as seguintes variáveis:
· Temperatura adequada de austenitização conforme o tipo de aço;
· Tempo em temperatura, que é função da maior espessura da peça. Existe regra empírica que recomenda uma hora por polegada de espessura;
· Velocidade de resfriamento, função do tipo de equipamento disponível.
Nota-se facilmente que o terceiro item é mais difícil de controlar, porque é comum colocar-se amontoadas, no chão ou em recipientes, as peças que receberam normalização, ocasionando diferente velocidade de esfriamento para cada peça e originando um lote bastante heterogêneo. Também com relação ao resfriamento correlaciona-se com a espessura da peça. No caso de peças espessas há o agravante de que a periferia resfria-se mais rápido que o centro, e com isto, são criadas tensões residuais que podem se efetuar no tratamento de revenimento.
Ao resfriar lentamente ligas endurecidas por saturação, ocorre a formação de uma segunda fase, a segunda fase pode crescer de tal forma que alguns planos e direções os precipitado sejam paralelos a planos e direções preferenciais da matriz, criando uma microestrutura conhecida como widmanstaetten. Esse mecanismo de crescimento minimizar as energias de deformação e de superfície e permite altas taxas de crescimento. A microestrutura de Widmanstaetten tem uma aparência característica semelhante a agulhas e, de forma geral, esses precipitados favorecem a nucleação de trincas diminuindo, assim, a tenacidade do material. Entretanto, em algumas ligas de titânio e cerâmicas, as microestruturas de Widmanstatten dificultam a propagação de trincas, elevando a tenacidade.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1 - ASKELAND, Donald R,; PHULÉ, Pradeep P. Ciência e Engenharia dos Materiais. 1. ed. São Paulo: CENGAGE, 2008. 596 p.
2 - COSTA E SILVA, André Luiz V.,MEI, Paulo Roberto. Aços e ligas especiais. 2. ed. São Paulo: BLÜCHER, 2006. 648 p.
3 - MELO, Guilherme Henrique Teixeira de. Ferros Fundidos Brancos Ligados – Metalurgia, Processos e Aplicações. 1. ed. Itaúna: Perffil Editora, 2001. 94p.
4 - http://pt.encydia.com/es/Estrutura_de_Widmanstatten, ás 14,39hrs de 15/06/2011.
5-http://dspace.lcc.ufmg.br/dspace/bitstream/1843/BUOS-8DWEUG/1/1418m.pdf, ás 15,13 de 18/06/2011.
GLOSSÁRIO
Aços bifásicos – Aço especial tratados para produzir martensita dispersa em uma matriz de ferrita.
Aço-ferramenta – Aços de alto-carbono com alta dureza, boa tenacidade ou boa resistência mecânica em temperaturas elevadas.
Austêmpera – Tratamento isotérmico no qual a austenita se transforma em bainita.
Austenita – Microestrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC) do ferro.
Bainita – Microconstituente bifásico composto de ferrita e cementita, que se forma em aços transformados isotermicamente em temperaturas relativamente baixas.
Cementação – Técnicas de endurecimento superficial de aço pelo aumento da concentração de carbono no aço por difusão.
Curvas de Temperabilidade – Gráficos que mostram o efeito da taxa de resfriamento sobre a dureza de aços temperados.
Ferrita - Microestrutura cristalina CCC do ferro que pode ocorrer como fases alfa ou delta. Não deve ser confundido com ferritas, que são materiais cerâmicos magnéticos.
Martensita – Fase metaestável formado no aço e em outros materiais por uma transformação sem difusão.
Microestrutura de Widmanstaetten – Microestrutura que obedece a uma relação cristalográfica fixa entre o precipitado e a matriz. Frequentemente são formadas agulhas ou placas na microestrutura de Widmanstaetten.
Martêmpera – Resfriamento da austenita até uma temperatura acima de Mi; manutenção nessa temperatura até a homogeneização do aço, seguida de têmpera para formar martensita. Esse processo reduz as tensões residuais e as trincas de têmpera. Também conhecido como têmpera interrompida.
Nitretação - Endurecimento do aço com nitrogênio de uma atmosfera gasosa.
Nodulização – Adição de magnésio ao ferro fundido cinzento líquido, para que, durante a solidificação, a grafita se precipite como as esferas em lugar de veios.
Normalização – tratamento térmico obtido pela austenitização e resfriamento ao ar parado para produzir a uma estrutura perlítica fina. Pode ser realizado em aços e ferros fundidos.
Perlita – Microconstituente bifásico lamelar composto de ferrita e cementita que se forma em aços resfriados lentamente ou transformado isotermicamente em temperaturas relativamentes altas.
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